Sistema MWP-LCI multiplexado de sensores

Como ya vimos en el capítulo 2, uno de los grandes grupos de aplicaciones de la técnica LCI y, por tanto, de MWP-LCI, es el campo del sensado, como se vio en el capítulo 2. En estas aplicaciones, se interpreta la información capturada por un sensor para relacionarla con ciertas magnitudes físicas como la presión o la temperatura [87, 88]. Por este motivo se plantea en este apartado la adaptación de una estructura

(a) (b)

1

MWP-LCI para una aplicación de sensado, basada principalmente en un sistema multiplexado de sensores. El sistema propuesto para este propósito es una adaptación de la estructura MWP-LCI avanzada (I) y se muestra en la Figura 4.23 [124]:

Figura 4.23. Implementación experimental de la estructura avanzada (I) adaptada para un sistema multiplexado de sensores.

En primer lugar, se genera la señal óptica con el perfil deseado mediante la combinación de fuente ASE y OCC para introducirla en el modulador electro-óptico, cuya señal moduladora es generada por el VNA. A continuación, se encuentra el elemento dispersivo, cuya implementación experimental se realiza mediante un carrete de fibra SSMF-28 caracterizado por sus parámetros 𝜑2 y 𝜑3. Tras ello, se

divide en dos la señal óptica mediante un acoplador 50:50 para introducirse en los dos brazos del interferómetro. Como se indica en el esquema de la Figura 4.23, parte de la señal se conduce al sistema multiplexado de sensores donde, en primer lugar, se vuelve a dividir la señal en N contribuciones para alimentar todas las cabezas sensoras a medir mediante un acoplador 1xN. A continuación, se introduce en cada uno de estos caminos una línea de retardo variable (VDL) de ajuste. La misión de este dispositivo es la de generar diferentes retardos entre cada uno de los sensores para que cada uno de ellos funcione en lo que podrían denominarse ventanas de trabajo. Es importante remarcar que se ha considerado una implementación mediante VDLs para poner de relieve la reconfigurabilidad del sistema multiplexado de sensores, pero estas ventanas de trabajo se podrían establecer también mediante tramos de fibra mayores o menores en cada uno de estos caminos hacia los sensores. De esta forma, el rango total de frecuencias a medir se dividirá en N ventanas de trabajo, funcionando cada una de estas ventanas de forma independiente entre sí. Tras capturar la información necesaria mediante cada uno de los sensores, las diferentes señales ópticas se conducen al acoplador de salida Nx1 mediante el uso de circuladores ópticos. Por otro lado, el otro brazo del interferómetro (señal óptica descendente en el acoplador 50:50) posee un controlador de polarización (PC) y un atenuador óptico, ambos elementos destinados a que la interferencia entre los brazos del interferómetro sea lo más óptima posible. Tras la combinación de las señales

Fuente ASE OCC PD1 Acoplador 50:50 Atenuador PC ( , ) SSMF-28 Array de sensores VNA Salida RF (Ω) - Acoplador 1 x N VDL 1 VDL 2 VDL N … SENSOR 1 SENSOR 2 SENSOR N … Acoplador N x 1 Acoplador 50:50 … MOD PD2 Entrada RF (Ω) Interferómetro

provenientes del interferómetro, se realiza la fotodetección de la señal mediante un detector balanceado que, como se ha analizado en apartados anteriores, suprime el término de DC, aumenta en 6 dB la amplitud de cada una de las resonancias de RF y elimina un efecto no deseado como es la aparición de términos de auto-reflexión. Por último, el análisis de la información recogida por cada uno de los sensores se realiza en el VNA.

En este punto, es importante realizar una aclaración sobre cómo se generan las diferentes ventanas de trabajo. Una vez captada la información de cada uno de los sensores, el patrón de interferencia generado contendrá la información multiplexada de cada una de las cabezas sensoras que trabajan de manera independiente. Por ello, es posible que algunas de las cabezas sensoras capten una información similar en lo que se refiere a la variación de la magnitud física que está siendo medida, provocando que en el espectro eléctrico las resonancias de RF que se generen estén muy próximas unas de otras. Este hecho puede ocasionar lecturas erróneas de la información del sistema de sensores llegando incluso a confundir qué cabeza sensora está proporcionando qué información. Es por este motivo que se decide introducir en el sistema el concepto de ventanas de trabajo. Esta idea se basa en introducir un retardo fijo y conocido a cada una de las cabezas sensoras, provocando que cada uno de los sensores trabaje dentro de un rango determinado. De esta forma, el resultado en OPD de la medida capturada por el sensor se obtendría como la resta del OPD medido y del OPD fijo introducido a cada uno de los sensores:

N

N N

sensor medido VDL

OPD

OPD

OPD

A continuación, se muestra un ejemplo de funcionamiento del sistema multiplexado de sensores con dos cabezas sensoras, cuyo resultado se muestra en la Figura 4.24.

Figura 4.24. (a) Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de la función de transferencia resultante del sistema multiplexado de sensores cuando se emplean dos cabezas sensoras. (b) Rango de operación de cada uno de los dos sensores considerados.

Sensor 1 Sensor 2

Sensor 1 Sensor 2

Es necesario mencionar ciertas particularidades del sistema empleado previamente al análisis de la Figura 4.24. Las variaciones de retardo que serían captadas por los sensores se introducen en este caso mediante dos VDLs. Para la medida experimental se ha empleado un perfil gaussiano de 8.8 nm de ancho de banda, una modulación AM-DSB con el modulador configurado en su punto Q y como elemento dispersivo un carrete de fibra SSMF-28 de 20 km caracterizado por sus dispersiones 𝜑2= −449 ps2 y 𝜑3= 2.51 ps3. Para el ejemplo experimental

considerado, se introducen unos OPDs fijos de valor 𝑂𝑃𝐷𝑉𝐷𝐿1 = 0 mm y 𝑂𝑃𝐷𝑉𝐷𝐿2=

5 mm. Finalmente, se emplea un detector balanceado para posteriormente analizar en el VNA la información obtenida por el array de sensores. El resultado obtenido de la función de transferencia del sistema multiplexado de sensores para este escenario se muestra en la Figura 4.24(a), mientras que en la Figura 4.24(b) se representa el rango de trabajo de cada uno de los sensores [124].

En primer lugar, observamos en la Figura 4.24(a) que el espectro eléctrico 0-25 GHz está dividido en dos ventanas de trabajo. De este modo, el sensor 1 trabaja dentro del rango 0-12.5 GHz y el sensor 2 trabaja en el rango 12.5-25 GHz, gracias a los OPDs fijos que se han introducido. Para el sensor 1, la función de transferencia muestra una resonancia de RF situada en torno a 10 GHz, por lo que se ha captado un 𝑂𝑃𝐷𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟1= 4.2 mm (𝑂𝑃𝐷𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜1 y 𝑂𝑃𝐷𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟1 coinciden en este caso). En el

rango destinado al sensor 2 observamos que se ha generado una resonancia de RF

alrededor de 15 GHz, resultando este valor en un 𝑂𝑃𝐷𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜2= 6.3 mm, por lo que

teniendo en cuenta que el 𝑂𝑃𝐷𝑉𝐷𝐿2 = 5 mm, se obtiene que el sensor 2 ha captado

un valor 𝑂𝑃𝐷𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟2 = 1.3 mm. De esta forma, se demuestra que la incorporación

del sistema por ventanas de trabajo permite la medida independiente de la información recogida por cada uno de los sensores. A continuación, en la Figura 4.24(b), se muestra el rango de operación destinado a cada uno de los sensores para este caso experimental concreto. Como se ha comentado, el sensor 1 recoge valores dentro del rango 0-12.5 GHz, lo que equivale a OPDs de 0-5 mm, mientras que el sensor 2 trabaja dentro del rango 12.5-25 GHz, por lo que se obtendrán valores de OPD entre 5-10 mm, que posteriormente deben ser compensados con el valor de

𝑂𝑃𝐷𝑉𝐷𝐿₂ = 5 mm. Tal como se ha probado en anteriores ocasiones, la dependencia

entre el OPD y la frecuencia central de la resonancia correspondiente es lineal con una pendiente de 0.404 mm/GHz.

Finalmente, es importante remarcar que la estructura MWP-LCI propuesta para la adaptación del sistema multiplexado de sensores en la Figura 4.23 es sólo una de las posibles soluciones, ya que, por ejemplo, la estructura MWP-LCI avanzada (II) podría considerarse como una perfecta alternativa ya que no sufre de efectos limitantes, como se ha visto en los apartados 4.3 y 4.4.1, poniendo en valor una de las ventajas de los sistemas MWP-LCI como es su gran reconfigurabilidad.

4.5. Reducción del tiempo de barrido en sistemas MWP-LCI a través

de multiplexación por subportadora (SCM)

Hasta este punto, los sistemas MWP-LCI presentados en apartados anteriores se han caracterizado a través de sus parámetros clave en términos de sensibilidad, resolución y profundidad de penetración. Sin embargo, en este apartado se propone una técnica que se centra en mejorar otro parámetro clave de los sistemas LCI como es el tiempo de barrido, cuya definición aparece en el apartado 2.6.4. Aprovechando las ventajas que nos ofrece la combinación del campo LCI con el entorno MWP, se hace uso de la técnica de multiplexación por subportadora (Subcarrier Multiplexing, SCM) para mejorar el tiempo de barrido en la medida, tal como se propone a continuación.

La técnica SCM consiste en la combinación de diferentes señales de RF para transmitirla a través de la misma fibra óptica [125]. Una de las propiedades que posee esta técnica es que está basada en una multiplexación en el dominio eléctrico, donde la existencia de componentes como los osciladores locales o los filtros selectivos de RF suponen una tecnología mucho más madura que su equivalente en el dominio óptico. En el entorno MWP-LCI, se ha visto que se emplea una señal de RF para barrer el espectro eléctrico y así obtener la función de transferencia que permite analizar la información de cualquier muestra. Si se transporta el concepto de SCM a MWP-LCI, es posible adaptar el sistema con el objetivo de emplear más de una señal de RF simultáneamente para barrer el mismo rango de frecuencias eléctricas, reduciendo de este modo el tiempo de barrido necesario. Esta es la idea que se resume en [126, 127] y que se analiza a continuación empleando la estructura mostrada en la Figura 4.25.

Figura 4.25. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I) adaptada para la técnica SCM y muestra multicapa.

La adaptación para implementar esta técnica se realiza a partir de la estructura MWP-LCI avanzada (I) combinada con una fotodetección balanceada, para eliminar el término de DC y posibles términos de auto-reflexión si se aplica a la medida de muestras multicapa. Tras la generación del perfil óptico mediante la combinación de BBS y OCC, la señal óptica se introduce en la etapa de modulación. Es en este punto se encuentra la mayor diferencia en comparación con los sistemas anteriores. Donde

Fuente ASE PD1 OCC Acoplador 50:50 Atenuador ( , ) SSMF-28 MOD PD2 - Polarizador Acoplador 50:50 Acoplador 1 x N Acoplador N x 1 VDL 1 VDL 2 … VDL N D E M U X

…

…

previamente se generaba un único tono de RF para modular a la señal óptica, ahora, mediante el uso de M osciladores controlados por tensión (Voltage Controlled

Oscillator, VCO), se introducen M portadoras de RF diferentes (Ω𝑀) multiplexadas

electrónicamente (MUX). Después de realizarse la modulación, la señal óptica atraviesa el elemento dispersivo, caracterizado por sus dispersiones de segundo (𝜑2)

y tercer orden (𝜑3). A continuación, se encuentra el interferómetro que, como se ha

visto en otras estructuras MWP-LCI, dispone de un brazo superior compuesto por un atenuador óptico y un controlador de polarización, mientras que en el brazo inferior se encuentra la muestra. En este caso concreto, se considera el caso de muestra multicapa, por lo que se consideran N líneas de retardo variable junto a un acoplador 1XN y otro Nx1. Tras generarse la interferencia en el acoplador de salida, la señal óptica se captura mediante el uso de un fotodetector balanceado (PD1 y PD2). Recordemos que la señal eléctrica resultante está compuesta por la combinación de

M señales de RF diferentes, por lo que es necesario demultiplexar (DEMUX) dicha

señal y analizarla para cada una de las M subportadoras eléctricas empleadas (Ω𝑀).

De esta forma puede dividirse el espectro eléctrico a barrer en diferentes ventanas, donde cada una de ellas se analiza con una subportadora diferente, reduciendo el tiempo de barrido empleado por un factor proporcional al número de subportadoras

empleadas (𝑇𝑏𝑎𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜= 1/𝑁). El rango medido completo se obtiene como

combinación de las diferentes ventanas empleadas.

A continuación, se muestran los resultados experimentales obtenidos mediante esta estructura MWP-LCI combinada con la técnica SCM vista en la Figura 4.25.

Figura 4.26. Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de la función de transferencia resultante de la estructura MWP-LCI avanzada (I) combinada con la técnica SCM. La muestra introducida está compuesta de 2 capas de OPDs 2.1 y 6.3 mm.

Para este caso, se emplean los 4 puertos eléctricos disponibles en el VNA utilizado (2 de entrada y 2 de salida) para emplear dos subportadoras diferentes (Ω1, Ω2) en la

medida de la función de transferencia. Estas conexiones se realizan tal como se

1

muestra en la Fig. 4.20. Seguidamente, se configura el VNA para que una de las

subportadoras (Ω1) realice un barrido entre 10 MHz – 10 GHz, mientras que la otra

subportadora (Ω2) barre las frecuencias 10 GHz – 20 GHz. Asimismo, el sistema

experimental consta de un perfil óptico uniforme de 8.8 nm, un modulador que realiza una modulación AM-DSB configurado en su punto Q y un carrete de fibra SSMF-28 de 20 km, caracterizado por una 𝜑2= −449 ps2 y 𝜑3= 2.51 ps3. Se muestra en la

Figura 4.26 la función de transferencia resultante de la medida empleando las dos subportadoras previamente descritas cuando los VLDs introducen unos OPDs de 2.1 y 6.3 mm [126, 127].

Podemos observar en la Figura 4.26 dos funciones de transferencia diferentes,

obtenidas cuando se utiliza la subportadora 1 (Ω1) para el rango 10 MHz – 10 GHz y

la subportadora 2 (Ω2) para el rango 10 GHz – 20 GHz. La idea clave en este caso es

que las funciones de transferencia se han obtenido simultáneamente, es decir, se ha realizado el barrido de la frecuencia eléctrica en el rango 10 MHz – 20 GHz mediante el uso de 2 subportadoras diferentes y en la mitad de tiempo de barrido. Si nos

centramos en los resultados obtenidos para la subportadora 1 (Ω1) observamos que

se ha capturado una resonancia de RF alrededor de los 5 GHz, como consecuencia del OPD introducido de valor 2.1 mm. Asimismo, el uso de la fotodetección balanceada nos permite apreciar cómo el término de DC se ha reducido hasta un nivel de -30 dB. Por último, en la función de transferencia obtenida mediante la subportadora 2 (Ω2) es posible ver que se ha generado la otra resonancia de RF en 15

GHz debido al OPD de 6.3 mm.

De esta forma, se ha demostrado la posibilidad de reducir el tiempo de barrido total mediante la combinación de las estructuras MWP-LCI y la técnica de multiplexación SCM. Además de poder realizar la división del espectro eléctrico en rangos, también es posible utilizar una de las subportadoras para, por ejemplo, realizar un zoom en una zona concreta del espectro. De esta forma, es posible obtener una función de transferencia general como las mostradas en la Figura 4.26 además de obtener una función de transferencia adicional, si se desea analizar una zona concreta con mayor detalle. En el ejemplo visto en la Figura 4.26, podría realizarse una medida muy precisa del ancho de banda a 3 dB de la capa 1 de la muestra si se configura una de las subportadoras para barrer el rango de frecuencias 4.5 GHz – 5.5 GHz. Así, se demuestra la potencialidad y la adaptabilidad que poseen las estructuras MWP-LCI para implementar técnicas tradicionales del campo MWP con el objetivo de la mejora de las características clave como, en este caso, el tiempo de barrido.

4.6. Fuentes ópticas pulsadas en sistemas MWP-LCI experimentales

Tal como se ha visto a lo largo de esta tesis doctoral, las características de la fuente óptica determinan algunos de los parámetros clave de los sistemas MWP-LCI. En concreto, el ancho a 3 dB es determinante en la resolución, mientras que el tipo de

perfil afecta al nivel de lóbulos secundarios, factor relevante en el cálculo de la sensibilidad. La importancia de la fuente óptica es tal que, en los montajes experimentales realizados, se ha optado por la combinación de una fuente ASE y una controladora de canales ópticos (OCC) para definir su densidad espectral de potencia. Sin embargo, dicha combinación supone la introducción de pérdidas de inserción, además de las pérdidas inherentes al enventanado de la señal óptica original de la fuente ASE. Por estos motivos, en el apartado 3.5, se introdujo la posibilidad de emplear fuentes ópticas pulsadas en sistemas MWP-LCI, ya que este tipo de fuentes presentan ciertas características ventajosas, como producir un perfil óptico ya dado sin necesidad de filtrados ópticos o el mayor nivel de potencia de salida que generalmente poseen este tipo de fuentes. A pesar de que es una tecnología que a día de hoy requiere de mayor desarrollo y perfeccionamiento, en este apartado se muestran las pruebas realizadas con este tipo de fuentes en sistemas MWP-LCI.

En esta ocasión, ha sido posible disponer de una fuente óptica pulsada en fase de pruebas, en concreto, la fuente MFS1500 ofrecida por la empresa FYLA. Las características principales de esta fuente se resumen en una longitud de onda central de 1560 nm, con una salida de potencia máxima de 100 mW y una separación entre líneas espectrales (Δω) de 100 MHz. Mediante una variación de la corriente de entrada, es posible generar efectos no lineales en el interior de la fuente que provocan una variación de la densidad espectral de potencia a su salida. Tras realizar diversas pruebas, se configura la fuente para generar una densidad espectral de potencia gaussiana de 5.5 nm de ancho de banda a 3 dB, centrado en 1560 nm. Dicha señal se muestra en la Figura 4.27 (línea negra). Asimismo, para realizar las simulaciones necesarias con esta fuente, se ha realizado un ajuste de dicha densidad espectral de potencia mediante la superposición de 5 funciones gaussianas. El resultado arrojado por dicho ajuste se muestra también en la Figura 4.27 (línea azul) [128].

Figura 4.27. Espectro de la fuente pulsada gaussiana de 5.5 nm de ancho de banda considerada para la medida experimental (línea negra). Simulación del espectro de la fuente mediante la superposición de 5 gaussianas (línea azul).

Tras la generación del perfil óptico, se procede a introducir esta fuente en un sistema MWP-LCI para comprobar cómo se comporta la función de transferencia eléctrica. Para ello, se muestra en la Figura 4.28 la estructura MWP-LCI avanzada (I) combinada con una fotodetección balanceada propuesta para este caso [128].

Figura 4.28. Implementación experimental de la estructura MWP-LCI avanzada (I) con detección balanceada y fuente pulsada.

Asimismo, en el montaje experimental se emplea un modulador AM-DSB funcionando en su punto de cuadratura, en el interferómetro se introduce un OPD de 6.3 mm mediante un VDL. También se consideran 3 elementos dispersivos diferentes, cuyas características principales se muestran en la Tabla 4.1.

SSMF-28 / 10 km -222 ps2 _{1.23 ps}3 SSMF-28 / 20 km -449 ps2 _{2.51 ps}3 SSMF-28 / 30 km -670 ps2 _{3.74 ps}3

Tabla 4.1. Características dispersivas de los carretes SSMF-28 considerados.

Figura 4.29. Resultados experimentales (línea negra) y teóricos (línea azul) de las diferentes funciones de transferencia resultantes de la estructura MWP-LCI avanzada (I) con una fuente pulsada de 5.5 nm de ancho de banda y 100 MHz de separación entre líneas espectrales cuando se consideran los elementos dispersivos (a) 10 km, (b) 20 km y (c) 30 km.

A partir de este montaje experimental se realiza la medida de la función de transferencia mediante el VNA para los tres elementos dispersivos vistos

Fuente pulsada PD1 OCC Acoplador 50:50 OPD VDL Atenuador Polarizador Acoplador 50:50 ( , ) SSMF-28 MOD VNA Entrada RF (Ω) Salida RF (Ω) PD2 - λ A m p li tu d e   100 MHz    (a) (b) (c)

anteriormente. Como el OPD introducido siempre es el mismo, se mide un rango de frecuencias diferente en cada caso, ya que, al variar el carrete de fibra, varía a su vez